具体实施方式

在以下描述中，出于解释而非限制的目的阐述了具体细节，诸如特定电路、电路组件、接口、技术等，以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践本发明。在其他情况下，省略了对公知的方法和编程过程、设备和电路的详细描述，以免不必要的细节混淆本发明的描述。

尽管本发明易于具有各种修改和替代形式，但其特定实施例在附图中以示例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解的是，附图及其详细描述并非旨在将本发明限制为所公开的特定形式，而是相反，旨在涵盖落入如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。注意，标题仅用于组织目的，并不旨在用于限制或解释说明书或权利要求。此外，注意，本申请中使用的“可以”一词是在允许的意义上(即，有潜力，能够)，而不是强制性的(即，必须)。术语“包括”及其派生词表示“包括但不限于”。术语“连接”表示“直接或间接连接”，术语“耦合”表示“直接或间接连接”。

图3是PV功率转换器的示例性实施例的电路图。在示例性实施例中，PV功率转换器2耦合在PV阵列(例如，PV阵列20)与DC链路之间。DC负载22可以跨DC链路定位。DC负载22可以包括但不限于电池充电器和/或并网逆变器，例如DC到AC逆变器。PV功率转换器2在本文中也称为部分功率转换器(PPC)，因为只有PV阵列20的一部分功率输出被PV功率转换器2转换。PV阵列20的功率输出的剩余部分被提供给PV功率转换器2，但在提供给DC链路21之前没有被PV功率转换器2转换和/或处理。

在示例性实施例中，PV功率转换器2被配置作为包括变压器23的全桥型转换器。虽然被示出为全桥型转换器，但可以使用任何其他合适的DC到DC转换器布置，诸如推挽式转换器。变压器23包括初级绕组23p和次级绕组23s。PV功率转换器2还包括第一输出端口P_out1和第二输出端口P_out2，通过输出端口可以将功率从PV功率转换器2提供给DC负载22。

PV功率转换器2还包括第一功率转换电路24和第二功率转换电路25。

第一功率转换电路24包括被配置为电耦合到PV阵列20的输出的第一输入端子T_in1和第二输入端子T_in2，并且第二输入端子T_in2电耦合到PV功率转换器2的第二输出端口P_out2。第一功率转换电路还具有电耦合到变压器23的初级绕组23p的第一输出端子T_out1和第二输出端子T_out2。第一功率转换电路24还包括至少一个可控半导体开关，例如四个可控半导体开关S₁、S₂、S₃、S₄。可控半导体开关S₁、S₂、S₃、S₄可以包括但不限于包括用硅或宽带隙材料(例如，碳化硅和/或氮化镓)实现的绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结晶体管(BJT)。在示例性实施例中，PV功率转换器2可以包括控制器(未示出)，控制器控制可控半导体开关S₁、S₂、S₃、S₄的操作以将来自PV阵列20的功率转换为AC功率。例如，控制器可以向可控半导体开关S₁、S₂、S₃、S₄提供控制信号，其中控制信号的占空比控制PV功率转换器2的电压输出。在DC链路21的电压由DC到AC逆变器调节的替代实施例中，PV功率转换器2借助于占空比控制来调节相关联的PV阵列(例如，PV阵列20)的输入电压以从PV阵列20提取最大功率。

第二功率转换电路25包括电耦合到变压器23的次级绕组23s的第一输入端E_in1和第二输入端E_in2。第二功率转换电路25还包括第一输出端E_out1和第二输出端E_out2，并且第一输出端E_out1电耦合到PV功率转换器2的第一输出端口P_out1，并且第二输出端E_out2电耦合到第一功率转换电路24的第一输入端子T_in1。在示例性实施例中，第二功率转换电路25还包括至少一个半导体器件，例如第一二极管D₁和第二二极管D₂。在示例性实施例中，次级绕组23s的两个部分之间的中心抽头C_t电耦合到第一二极管D₁和第二二极管D₂的阴极，从而形成具有两个支路的半桥，每个支路具有相应二极管D₁、D₂。并且，它们的阳极电耦合到第一输入端E_in1和第二输入端E_in2。低通滤波器L、C电插入在半桥与输出端E_out1、E_out2之间。初级部分23p和次级部分23s互感耦合。在操作中，流经初级绕组23p的时变电流跨次级绕组23s感应出电压，该电压由在其第一输出端E_out1和第二输出端E_out2处提供DC输出的第二功率转换电路25调节。

PV功率转换器2还包括第一功率开关Q₁。在本实施例中，如图3所示，第一功率开关Q₁电插入在第二功率转换电路25的第一输出端E_out1与PV功率转换器2的第一输出端口P_out1之间，以具有允许单向电流流动的导通方向。当PV功率转换器在正常条件下操作时，功率至少经由第一功率开关Q₁导通电流而从PV阵列流向负载。当第一功率转换电路24的第一输入端子T_in1和第二输入端子T_in2发生短路故障时，作为单向导通器件的第一功率开关Q₁阻断电流流动。第一功率开关Q₁可以包括但不限于包括用硅或宽带隙材料(例如，碳化硅和/或氮化镓)实现的绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结晶体管(BJT)。

图4和图5示出了根据本发明的其他实施例的PV功率转换器。作为图3的实施例的替代，第一功率开关Q₁可以设置在不同位置，并且通过具有实施例的这些变型，当PV功率转换器在正常条件下操作时，功率至少经由第一功率开关Q₁导通电流而从PV阵列流向负载。例如，如图4所示，第一功率开关Q₁布置在第一输入端子T_in1与第二输出端E_out2之间；如图5所示，第一功率开关Q₁布置在第二输入端子T_in2与第二输出端口P_out2之间。

通过使用本发明的实施例，通过跨第一输出端口P_out1和第二输出端口P_out2的DC电压而施加到第二功率转换电路25的DC侧的电压将在第一功率开关Q₁与第二功率转换电路25侧的那些二极管之间共享。第一输入端子T_in1和第二输入端子T_in2发生短路期间在第二功率转换电路的DC侧上的电压应力被降低。可以为第二功率转换电路选择击穿电压相对较低的半导体，这样可以降低转换器成本并且提高功率效率。附加的第一功率开关Q₁的功率损耗相对较低，因为它在正常操作期间始终在导通模式下工作。

当第一功率转换电路24的第一输入端子T_in1和第二输入端子T_in2发生短路故障时，作为单向导通器件的第一功率开关Q₁阻断电流流动。一般而言，第一功率开关Q₁电布置在第一输入端子T_in1和第二输入端子T_in2中的任一者与第一输出端口P_out1和第二输出端口P_out2中的任一者之间，以具有允许单向电流流动的导通方向。

作为所提出的拓扑结构的第一功率开关Q₁可以是功率二极管，或者替代地被替换为反向阻断功率半导体，诸如反向阻断IGBT。在正常操作期间，反向阻断IGBT接通。当输入DC母线发生短路时，反向阻断IGBT将与整流器一起承受输出DC母线电压。

图6示出了根据本发明的另一实施例的第二功率转换电路。如图6所示，与图2不同的是，第二功率转换电路25包括至少一个半导体器件，例如第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄。在示例性实施例中，四个二极管形成全桥整流器，该全桥整流器具有分别包括串联耦合的第一二极管D₁和第二二极管D₂以及串联耦合的第三二极管D₃和第四二极管D₄的两个支路。第一二极管D₁与第二二极管D₂之间的连接点以及第三二极管D₃与第四二极管D₄之间的连接点是第二功率转换电路的第一输入端E_in1和第二输入端E_in2。低通滤波器L、C电插入在全桥与输出端E_out1、E_out2之间。

对于根据本发明的每个实施例的第二功率转换电路25，第一功率开关Q₁的击穿电压被选择使得第一功率开关Q₁的击穿电压和至少一个支路中的击穿电压较低的支路的击穿电压的总和高于预定电平。

例如，在图3中，第一开关Q₁具有击穿电压V_{breakdown_Q1}，其中一个支路上的二极管D₁具有击穿电压V_{breakdown_D1}，另一支路上的二极管D₂具有击穿电压V_{breakdown_D2}。假定V_{breakdown_D1}≥V_{breakdown_D2}并且假定PV功率转换器的输出额定值为V_out，则V_{breakdown_Q1}被选择使得V_{breakdown_Q1}+V_{breakdown_D2}≥V_out。

例如，在图6中，第一开关Q₁具有击穿电压V_{breakdown_Q1}，其中一个支路上的二极管D₁、D₂具有击穿电压V_{breakdown_D1}、V_{breakdown_D2}，另一支路上的二极管D₃、D₄具有击穿电压V_{breakdown_D3}、V_{breakdown_D4}。假定V_{breakdown_D1}+V_{breakdown_D2}≥V_{breakdown_D3}+V_{breakdown_D4}并且假定PV功率转换器的输出额定值为V_out，则V_{breakdown_Q1}被选择使得V_{breakdown_Q1}+V_{breakdown_D3}+V_{breakdown_D4}≥V_out。

此外，为了消除根据本发明的实施例的PV功率转换器的输出处发生的短路故障，第一功率转换电路24的一个或多个支路将被触发到直通状态，即，一个支路中的两个半导体(例如，IGBT)都将导通。以这种方式，在第一输入端子T_in1和第二输入端子T_in2处从PV面板注入的故障电流被直通支路旁路，而不是在输出端口P_out1、P_out2处注入到DC短路点。由于DC输入母线侧(PV面板)处的短路电流较低，因此直通支路处的半导体不会经历过电流。

单独的旁路开关(可以是机械开关或功率半导体开关)并联连接到PV功率转换器的输入端子。旁路开关在正常操作期间将保持断开。当输出端口处存在DC短路故障时，旁路开关将闭合，以旁路从DC输入侧(PV面板)注入的故障电流。

虽然已经基于一些优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，这些实施例决不应当限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和构思的情况下，对实施例的任何变化和修改均应当在本领域普通技术人员的理解范围内，并且因而落入由所附权利要求限定的本发明的保护范围内。